占銳 程華國 李俊 徐康 沈超

（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽），襄陽 441004）

混合動力和傳統(tǒng)動力重型汽車傳動系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺研究

占銳 程華國 李俊 徐康 沈超

（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽），襄陽 441004）

針對傳統(tǒng)動力和混合動力重型汽車傳動系統(tǒng)試驗(yàn)需求，建立了包括動力機(jī)構(gòu)、變頻調(diào)速單元、直流模擬電源、測量控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等在內(nèi)的傳動系統(tǒng)測試平臺?；贑ompactRIO的可重配置模塊和信號采集模塊，利用LabVIEW FPGA開發(fā)了一套適用于不同類型的傳動系統(tǒng)采集控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺控制精度高，能夠滿足試驗(yàn)要求。

1 前言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的不斷加大以及城市交通運(yùn)輸和環(huán)保工程建設(shè)等項(xiàng)目的增加，對重型汽車的需求量在不斷加大；同時(shí)，在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的大環(huán)境下，混合動力汽車的研發(fā)也迅速發(fā)展[1]。隨著重型汽車和混合動力汽車研發(fā)力度的加大，將導(dǎo)致有大量的汽車傳動系統(tǒng)零部件研究和驗(yàn)證試驗(yàn)需求，并需要建立相應(yīng)的試驗(yàn)臺架。但如果分別建立適用于傳統(tǒng)動力汽車傳動系統(tǒng)零部件試驗(yàn)臺和混合動力汽車傳動裝置及電機(jī)試驗(yàn)臺，不僅造價(jià)昂貴，而且會造成資源浪費(fèi)。為此，本文提出了一種混合動力和傳統(tǒng)動力重型汽車傳動系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺的可靠性。

2 試驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

混合動力和傳統(tǒng)動力重型汽車傳動系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺為機(jī)電一體化設(shè)備，主要由動力機(jī)構(gòu)、變頻調(diào)速單元、直流模擬電源、測量控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、機(jī)械連接件和臺架底座等構(gòu)成。

2.1.1 動力機(jī)構(gòu)

動力機(jī)構(gòu)共5套，其中1套主要用作驅(qū)動（也可進(jìn)行加載），包括ABB公司450 kW的M3BP355MLB2型交流測功機(jī)和1臺4擋齒輪箱，可以適應(yīng)各種試件不同的轉(zhuǎn)速和扭矩需求；另外4套動力機(jī)構(gòu)均由ABB公司315 kW的M3BP355MLB6型交流測功機(jī)、1臺重型汽車9擋變速器及1臺固定速比為4的轉(zhuǎn)角齒輪箱組成，主要用作加載（也可進(jìn)行驅(qū)動）。

2.1.2 變頻調(diào)速單元

變頻調(diào)速單元由5套ABB公司的逆變單元及其供電單元組成。變頻調(diào)速單元采用共直流母線控制技術(shù)[2]，在電機(jī)處于加載發(fā)電狀態(tài)時(shí)，所發(fā)電量能夠回到直流母線上供驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動時(shí)使用，因此試驗(yàn)中實(shí)際消耗的能量僅用于克服系統(tǒng)摩擦力、系統(tǒng)發(fā)熱等，因此試驗(yàn)臺實(shí)際功耗遠(yuǎn)小于實(shí)際負(fù)載功率。試驗(yàn)臺采用的共直流母線原理見圖1。

圖1 共直流母線原理

2.1.3 直流模擬電源

直流模擬電源用以替代汽車蓄電池，為混合動力電機(jī)及其控制器提供穩(wěn)定的直流電。選取了DC800V-400A/320 kW型直流模擬電源，該電源既適應(yīng)于混合動力汽車電機(jī)及其控制器的供電功能，也具有在電機(jī)被動發(fā)電時(shí)以正弦電流波形回饋主電網(wǎng)的功能。

2.1.4 測量控制系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)包括功率分析儀、控制柜、各種傳感器、上位機(jī)及相關(guān)板卡等。測量控制系統(tǒng)各部分選型及參數(shù)如表1所示。

表1 測量控制系統(tǒng)各部分選型及參數(shù)

2.1.5 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺齒輪箱冷卻系統(tǒng)和樣品冷卻系統(tǒng)。試驗(yàn)臺齒輪箱冷卻系統(tǒng)選用相對獨(dú)立循環(huán)冷卻裝置，保證在任何氣候條件下設(shè)備均能正常運(yùn)行。樣品冷卻系統(tǒng)通過電機(jī)驅(qū)動齒輪泵將冷卻對象箱體中潤滑油抽到外部水冷卻器中強(qiáng)制冷卻，與冷卻器中冷卻水交換熱量后再回流進(jìn)入箱體，溫度控制通過調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)管路流量實(shí)現(xiàn)，保證在任何氣候條件下設(shè)備均能正常運(yùn)行。

2.2 綜合試驗(yàn)臺原理和功能

當(dāng)分別進(jìn)行混合動力汽車和傳統(tǒng)動力重型汽車傳動系統(tǒng)零部件試驗(yàn)時(shí)，可以選擇綜合試驗(yàn)臺不同的動力機(jī)構(gòu)來完成試驗(yàn)需求。實(shí)際臺架如圖2所示。

圖2 混合動力和傳統(tǒng)動力重型汽車綜合試驗(yàn)臺

該綜合試驗(yàn)臺在設(shè)計(jì)上主要有以下特點(diǎn)：

a.試驗(yàn)臺可同時(shí)滿足傳統(tǒng)動力重型汽車傳動系統(tǒng)零部件的試驗(yàn)要求和混合動力重型汽車傳動系統(tǒng)零部件試驗(yàn)要求。

b.試驗(yàn)臺采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)[3]實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)控制；采用共直流母線的能量回饋技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)了電能的回饋。

c.試驗(yàn)臺5套動力機(jī)構(gòu)均可用作驅(qū)動及加載，可以根據(jù)不同類型試驗(yàn)樣品自由選擇不同的動力機(jī)構(gòu)，單套加載機(jī)構(gòu)通過直角齒輪箱可以改變試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)，減小了試驗(yàn)臺安裝所需要的面積。

分別以混合動力客車電機(jī)和雙驅(qū)動橋?yàn)槔齺碚f明該綜合試驗(yàn)臺的工作原理。

2.2.1 混合動力客車電機(jī)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺工作原理

圖3為電機(jī)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺布置型式。

圖3 電機(jī)試驗(yàn)臺布置示意

如圖3所示，試驗(yàn)時(shí)將混合動力客車電機(jī)與試驗(yàn)臺的動力機(jī)構(gòu)相連，然后通過試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的控制，按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速、扭矩對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動或加載，同時(shí)通過試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該試驗(yàn)臺能夠完成功率在250 kW以內(nèi)電動汽車、混合動力汽車及中型貨車用電機(jī)和動力耦合裝置的性能、疲勞壽命試驗(yàn)。

2.2.2 雙驅(qū)動橋試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺工作原理

圖4為雙驅(qū)動橋試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺布置型式。

圖4 雙驅(qū)動橋試驗(yàn)臺布置示意

如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)被試雙驅(qū)動橋的中橋輸入端與試驗(yàn)臺的主驅(qū)動動力機(jī)構(gòu)連接，中橋左右輸出端和后橋左右輸出端與4套主加載動力機(jī)構(gòu)連。根據(jù)試驗(yàn)條件，首先在空載條件下利用主驅(qū)動動力機(jī)構(gòu)將試驗(yàn)轉(zhuǎn)速升至規(guī)定轉(zhuǎn)速，然后按照要求利用主加載機(jī)構(gòu)對試件進(jìn)行加載。該試驗(yàn)臺能夠完成功率在400 kW以內(nèi)的工程車、重型商用車用驅(qū)動橋總成、輪邊減速器、差速器等傳動部件的壽命試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測控系統(tǒng)硬件組成

在進(jìn)行混合動力和傳統(tǒng)動力重型汽車傳動系統(tǒng)測試過程中，需要測量溫度信號、扭矩信號、速度信號、加速度信號、頻率信號、壓力信號、電流信號、電壓信號等，要求測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)性好。

為滿足測試要求，選用CompactRIO-9114八通道采集機(jī)箱配合各種C模塊及配套的傳感器搭建測控系統(tǒng)硬件平臺，控制器選用CompactRIO-9025型。試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

變頻器采用EthernetIP通訊控制方式。Labview的EthernetIP控制模塊通過讀和寫變頻器的控制字，可以精確控制變頻器的速度和扭矩。利用Industrial Commu?nications庫的EternetIP CIP Set Attribute single.vi和Eter? netIP CIP Get Attribute single.vi分別讀寫變頻器參數(shù)，精確控制變頻器。

圖5 試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3個(gè)扭矩傳感器安裝在1#減速箱、2#齒輪箱和3#齒輪箱的輸出端，2個(gè)安裝在4#齒輪箱和5#齒輪箱的輸出端。采用C模塊NI-9221采集扭矩信號（為0～10 V模擬量信號），為避免使用大功率變頻器時(shí)產(chǎn)生的干擾，采集的信號需經(jīng)函數(shù)Digital FIR Filter.vi低通濾波；采用C模塊NI-9423采集速度信號（為脈沖頻率信號），以PNP類型輸出；采用C模塊NI-9411采集計(jì)數(shù)信號（為脈沖頻率信號），以PNP類型輸出；采用四通道的IEPE輸入模塊NI9234采集加速度信號，加速度傳感器選用PCB公司的通用型單軸加速度傳感器352C04，傳感器通過磁力座吸附在被測樣件上；采用溫度采集模塊NI-9217采集溫度監(jiān)控信號（為PT100）；采用模擬電流量輸入模塊NI-9203采集傳動系統(tǒng)的壓力信號（為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號）。

3.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺軟件程序基于LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，結(jié)合CompactRIO嵌入式控制器開發(fā)完成[4]。軟件系統(tǒng)主要包括下位機(jī)部分的數(shù)據(jù)采集軟件和上位機(jī)部分的數(shù)據(jù)處理與控制軟件。

3.2.1 下位機(jī)程序

基于LabVIEW的RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)的FPGA下位機(jī)程序，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的采集、存儲和控制[5]，包括加速度、扭矩、速度、計(jì)數(shù)、壓力變速、溫度等信號的采樣和采集通道的設(shè)定等功能。FPGA計(jì)數(shù)程序原理基于信號變化一次加一，測速程序原理基于兩次信號變化的時(shí)間差，加速度和扭矩信號都是直接采集模擬量，加速度和扭矩信號的FIFO合并到一個(gè)DMA FIFO中傳遞給RT運(yùn)行程序，再利用TCP協(xié)議實(shí)時(shí)傳給上位機(jī)。

3.2.2 上位機(jī)程序界面

基于LabVIEW平臺狀態(tài)機(jī)機(jī)制的上位機(jī)程序通過TCP協(xié)議實(shí)時(shí)接收下位機(jī)的原始數(shù)據(jù)與工作站的工作狀態(tài)，同時(shí)使用LabVIEW自帶的信號分析、數(shù)字濾波和統(tǒng)計(jì)等子VI完成試驗(yàn)過程中參數(shù)的提取工作[5]。圖6為基于LabVIEW的上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示界面[4]，可讀取速度、扭矩、加速度、溫度等實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

圖6 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示界面

3.3 試驗(yàn)臺參數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)試驗(yàn)臺分別用于混合動力傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)臺基本參數(shù)如表2和表3所列。

表2 用于混合動力傳動系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺基本參數(shù)

表3 用于傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺基本參數(shù)

4 測試試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)臺控制精度驗(yàn)證

為了保證試驗(yàn)臺所測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對試驗(yàn)臺的控制精度進(jìn)行了驗(yàn)證。要求轉(zhuǎn)速的控制精度≤±1 r/min，扭矩的控制精度≤0.5%F.S，電流的控制精度≤0.5%，電壓的控制精度≤0.5%，試驗(yàn)臺控制精度驗(yàn)證結(jié)果見表4～表7。

由表4可知，試驗(yàn)臺主驅(qū)動機(jī)構(gòu)扭矩控制精度為-0.51%～0.56%F.S，轉(zhuǎn)速控制精度為±1 r/min。

由表5可知，1#～4#主加載機(jī)構(gòu)扭矩控制精度分別為-0.46～0.45%F.S、-0.44～0.41%F.S、-0.45～0.45%F.S和-0.44～0.42%F.S。

表4 試驗(yàn)臺主驅(qū)動機(jī)構(gòu)扭矩和轉(zhuǎn)速控制精度驗(yàn)證結(jié)果

表5 試驗(yàn)臺主加載機(jī)構(gòu)扭矩控制精度驗(yàn)證結(jié)果 N·m

表6 試驗(yàn)臺主加載機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速控制精度驗(yàn)證結(jié)果 r/min

由表6可知，1#～4#主加載機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制精度均為±1 r/min。

表7 試驗(yàn)臺直流模擬電源電壓控制精度驗(yàn)證結(jié)果 V

由表7可知，直流模擬電源電壓控制精度為-0.14%～0.16%F.S。

表8 試驗(yàn)臺直流模擬電源電流控制精度驗(yàn)證結(jié)果 A

由表8可知，直流模擬電源電流控制精度為-0.21%～0.24%F.S。

4.2 混合動力傳動系統(tǒng)零部件試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證試驗(yàn)臺在進(jìn)行混合動力傳動系統(tǒng)零部件試驗(yàn)時(shí)的工作狀況，選取了某混合動力客車電機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證性測試試驗(yàn)?；旌蟿恿蛙囯姍C(jī)相關(guān)參數(shù)如表9所列。

表9 某混合動力客車電機(jī)相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，將被試電機(jī)與主驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接，然后將被試電機(jī)、電機(jī)控制器與試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)及模擬直流電源柜正確連接。參考GB/T 18488.2—2015《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)》第2部分：試驗(yàn)方法，按照表9中的轉(zhuǎn)速和扭矩均勻取點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)測得的被試電機(jī)系統(tǒng)電動狀態(tài)曲線和饋電狀態(tài)曲線見圖7和圖8。

圖7 被試電機(jī)系統(tǒng)電動狀態(tài)曲線

圖8 被試電機(jī)系統(tǒng)饋電狀態(tài)曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，被試樣品溫升為107 K，持續(xù)扭矩為1 213 N·m，持續(xù)功率為121 kW，峰值扭矩為2 172.6 N·m，峰值功率為215 kW，符合GB/T 18488.1—2015《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)》第1部分：技術(shù)條件中相關(guān)要求。

4.3 傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)零部件試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證試驗(yàn)臺在傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)零部件方面的試驗(yàn)?zāi)芰Γx取了某傳統(tǒng)動力雙驅(qū)動橋進(jìn)行試驗(yàn)。該雙驅(qū)動橋相關(guān)參數(shù)見表10。

表10 某雙驅(qū)動橋相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，將主驅(qū)動機(jī)構(gòu)與驅(qū)動中橋的輸入端相連，4個(gè)主加載電機(jī)分別與驅(qū)動中橋的輸出端和驅(qū)動后橋的輸出端連接，利用傳動軸將中橋輸出與后橋輸入連接，主驅(qū)動機(jī)構(gòu)的1#減速箱選擇速比為18的擋位，4個(gè)轉(zhuǎn)角齒輪箱的速比均為固定速比4，4個(gè)9擋變速器選擇速比為3.4的擋位，參考標(biāo)準(zhǔn)QC/T 533—1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)方法》，按照表10中的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行了1.28萬次后，驅(qū)動中橋的平行齒輪損壞，不符合標(biāo)準(zhǔn)QC/T 534—1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)》的規(guī)定。

試驗(yàn)臺建成后，還進(jìn)行了大量汽車中驅(qū)動橋、后驅(qū)動橋、輪邊減速器、傳動軸等試驗(yàn)，試驗(yàn)臺運(yùn)行狀況良好，工作可靠。

5 結(jié)束語

開發(fā)了混合動力和傳統(tǒng)動力重型汽車傳動系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)臺架，建立了包括動力機(jī)構(gòu)、變頻調(diào)速單元、直流模擬電源、測量控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等在內(nèi)的傳動系統(tǒng)測試平臺?；贑ompactRIO嵌入式控制器豐富的信號采集模塊，利用LabVIEW FPGA開發(fā)了一套適用于多種不同類型的傳動系統(tǒng)采集控制系統(tǒng)；基于LabVIEW設(shè)計(jì)了上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示界面，實(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)臺的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示。通過混合動力汽車電機(jī)試驗(yàn)和傳統(tǒng)動力驅(qū)動橋試驗(yàn)，驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺的可靠性。

1 孫麗.基于操縱穩(wěn)定性的混合動力客車平順性評價(jià)與優(yōu)化：[學(xué)位論文].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012.

2 王樹釗，吳紅斌，趙波，等.光伏/蓄電池系統(tǒng)共直流母線的控制策略研究.華東電力，2014，42（2）：325～329.

3 樓紅偉，馬振書，孫華剛.大型多功能機(jī)械傳動試驗(yàn)臺.機(jī)械傳動，2013（9）:30～32.

4 王凱，李鋒，于杰.基于CompactRIO的電液伺服機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)測控平臺設(shè)計(jì).液壓與氣動，2013（5）:32～35.

5 周兵，孫小飛，周鋒.基于CompactRIO的大型橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)研究.2010中國儀器儀表與測控技術(shù)大會論文集,2010.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2016年6月6日。

Research on the Driveline Test Bench for Heavy Duty Vehicle of Hybrid and Traditional Powertrain

Zhan Rui,Cheng Huaguo,Li Jun,Xu Kang,Shen Chao
（National Automobile Quality Supervision and Test Center(Xiangyang),Xiangyang 441004）

To meet the test requirements of driveline of traditional and hybrid powered heavy duty vehicles,we established a driveline test platform comprising power mechanism,variable-frequency control unit,DC simulation power supply,measurement&control system,cooling system,etc.The acquisition and controlling system applicable to different types of drivelines was developed using LabVIEW FPGA based on CompactRIO reconfigurable module and signal acquisition module.Test results indicate that the test bench features high accuracy and meets the test requirements.

Heavy duty vehicle,Hybrid,Driveline,Integrated test

重型汽車 混合動力 傳動動力 統(tǒng)合試驗(yàn)

U467.5+2

A

1000-3703（2016）12-0045-05